半導体装置及び半導体装置の製造方法
【課題】バリアメタルの被覆性を向上させる。
【解決手段】本発明の半導体装置は、キャップ絶縁膜１ｄ上に形成された絶縁膜と、絶縁膜に形成された配線溝と、配線溝の底面に形成されたビア孔と、少なくともビア孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、を有する。ビア孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続し、複数の孔の接続部にキャップ絶縁膜に対してほぼ平行な面を有する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、キャップ絶縁膜１ｄ上に形成された絶縁膜と、絶縁膜に形成された配線溝と、配線溝の底面に形成されたビア孔と、少なくともビア孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、を有する。ビア孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続し、複数の孔の接続部にキャップ絶縁膜に対してほぼ平行な面を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化と集積化の進展にともない、シリコン基板に形成されたトランジスタの上層に形成される多層配線の微細化が急速に進展している。該多層配線では、水平方向にトランジスタ素子を接続する配線とともに、垂直方向に該配線を接続する貫通ビアから構成されている。６５ｎｍノード以降、配線材料として銅（Ｃｕ）を用い、また配線間絶縁膜の材料として低誘電率のシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）を主成分とするＳｉＯＣＨ膜を用いることが一般的となっている。銅による配線パターンを形成する際には、該配線と該ビアとを同時に作りこむ、デュアルダマシン構造が最も普及している。
【０００３】
デュアルダマシン構造を貫通ビアから先に形成する、ビアファースト・デュアルダマシン加工法では、図１４（ａ）に示すように、下部配線１４０上にビア用エッチングストッパ膜４０１、ビア間絶縁膜４０２、配線用エッチングストッパ膜４０３及び配線間絶縁膜４０４を順に成膜し、配線溝１４１及びビア１４２をそれぞれのエッチングストッパ膜まで順に加工する。その後、ビア用エッチングストッパ膜４０１と配線用エッチングストッパ膜４０３とを同時に除去することでデュアルダマシン構造を形成する。ビア用エッチングストッパ膜４０１はＣｕバリア性を有したキャップ絶縁膜である。ビアファースト・デュアルダマシン加工法ではビア用エッチングストッパ膜４０１と配線用エッチングストッパ膜４０３とを同時に除去することから、配線用エッチングストッパ膜４０３にもキャップ絶縁膜を用いることが多い。
【０００４】
一般に、キャップ絶縁膜とは、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）を主成分とするシリコン炭化膜（ＳｉＣ）、ＳｉＣに窒素を添加したシリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）、酸素を添加したシリカカーボン複合膜（ＳＣＣ（Ｓｉｌｉｃａ−ｃａｒｂｏｎ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）膜）等が用いられている。また、配線間絶縁膜が高Ｃ濃度のＬｏｗ−ｋ膜である場合はエッチングストップ性を高めるため、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）をキャップ絶縁膜上に積層することもある。逆に、Ｃｕ界面の酸化の防止を目的とし、５ｎｍ〜１０ｎｍ厚程度の極薄のＳｉＮ膜上に該キャップ絶縁膜を成長する場合もある。
【０００５】
配線用エッチングストッパ膜は、ビアの開口部の周縁を保護することもできる。これにより、ビアは配線溝の加工中に変形することなく垂直形状を維持できる。そのため、垂直形状のビアを有するデュアルダマシン形状がこれまで一般的であった。
【０００６】
近年、デバイスの微細化ともない、寄生容量低減のため配線層間膜へのＬｏｗ−ｋ膜の適用が検討されている。しかしながら、Ｌｏｗ−ｋ膜は膜強度が低く熱膨張率が高いため、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）や応力起因ボイド（ＳｉＶ）といった応力の影響を受けるビア配線の信頼性劣化への影響が懸念される。一般的に、応力はＣｕ配線中に存在するマイクロボイドの移動や成長に影響するとされており、Ｌｏｗ−ｋ材料を用いた場合、前記の理由によりボイドの成長が加速すると考えられている。そのため、Ｌｏｗ−ｋ材料の適用によるビア配線信頼性劣化の抑制には、Ｃｕ埋設性の改善などによりＣｕ配線中におけるマイクロボイドを減少させることが有効である。つまり、Ｌｏｗ−ｋ膜の適用にはマイクロボイドのない高いＣｕ埋設性が強く要求される。しかし、実際には、デバイスの微細化により垂直形状のビアへのＣｕの埋設の難易度が高くなってきている。
【０００７】
また、寄生容量低減の一環として配線用エッチストッパ膜をなくすこと（ストッパレス化）が要求されている。しかしながら、図１４（ｂ）のようにストッパレス化によってビア１４２の開口部の肩落ちおよびビア１４２の側壁のテーパー形状化が発生し易くなる。特許文献１では、配線用エッチングストッパ膜をなくし、Ｃｕ埋設性を向上させるためにビアの開口部付近のみを部分的にテーパー化した、部分テーパー形状ビア配線が提案されている。部分テーパー形状ビアは垂直形状ビアに比べ見かけのアスペクト比が小さくなるため、垂直形状ビアに比べＣｕ埋設性の向上が期待できる。
【０００８】
特許文献２では、ビア側壁角が負の角度にならないようにする。これにより、応力の集中を発生させる原因となる形状がビア側壁になく、ストレスマイグレーションを低減し、配線の信頼性がより高くなることが記載されている。また、特許文献２では、ビア側壁角に少なくとも２つの極大値を持ち、これらの極大値間に極小値を有する構成を採用する。これにより、ビア側壁の中間部でビア開孔径が急激に大きくなり、単純なテーパー形状よりもビア開孔の実質的なアスペクト比が小さくなる。そのため、金属の埋め込み性が改善することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−４７５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−３５６５２１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｃ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ，"Ｎｅｗ ｔａｐｅｒ−ｅｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ｉｏｎ ｐｌａｓｍａ", Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ ８ （３），１９９０，５２９−５３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記文献記載の技術には、バリアメタルの被覆性を向上させるリスパッタプロセスに適さないという課題がある。リスパッタプロセスはアルゴン（Ａｒ）イオン等を用いたイオンボンバードメントにより、配線溝の底面及びビアの底面に成膜したバリアメタル膜をリスパッタさせることで、配線溝の側壁やビアの側壁にバリアメタルを再付着させてバリアメタルの被覆性を向上させるプロセスである。バリアメタルのリスパッタ速度はイオンの入射角に依存するため、側壁のテーパー角によってリスパッタ量が変動する。そのため、テーパーを有するビアの側壁では、バリアメタルがスパッタされてしまい、バリアメタルを再付着させることができない部位が生じていた。したがって、上記従来の技術では、リスパッタプロセスによりバリアメタル膜の被覆性を向上させることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、
下地上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底面に形成された接続孔と、
少なくとも前記接続孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、
を有し、
前記接続孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、
前記複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続され、
前記複数の孔の接続部に前記下地に対してほぼ平行な面を有する、半導体装置
が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、
絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を貫通する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔に充填材を充填する工程と、
前記接続孔の開口を覆うマスクを前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記マスク及び前記充填材の一部を除去するとともに前記接続孔の側壁の一部を露出させる第一のエッチング工程と、
露出した前記接続孔の側壁から前記絶縁膜を除去して、配線溝及び接続孔を形成する第二のエッチング工程と、
少なくとも前記接続孔の側壁をバリアメタル膜で覆う工程と、
を含み、
前記第二のエッチング工程において、
前記配線溝の底面から径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させて前記接続孔を形成し、前記複数の孔の接続部に前記接続孔の底面に対してほぼ平行な面を形成させる、半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
この発明によれば、径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させ、接続部に下地に対してほぼ平行な面を有する接続孔を備える。これにより、接続孔の水平な面でバリアメタルをリスパッタさせることができ、接続孔の側壁にバリアメタルを再付着させることができる。したがって、接続孔の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、接続孔の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図３】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図４】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】実施の形態に係る半導体装置の製造方法で用いる製造装置を示す図である。
【図６】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図７】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図８】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図９】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図１０】実施例のビア配線形状の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した結果を示す図である。
【図１１】実施例のビア配線のビア抵抗の確率累積分布を示す図である。
【図１２】実施例のビア配線における大規模ビアチェーンの不良数の結果を示す図である。
【図１３】実施例のビア配線の応力起因ボイド（Ｓｔｒｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｏｉｄｉｎｇ、ＳＩＶ）に対する信頼性評価の結果を示す図である。
【図１４】従来のビア配線を示す図である。
【図１５】酸素イオンによるエッチング速度とイオン入射角との相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、下地となるキャップ絶縁膜１ｄ上に形成された絶縁膜２ａと、絶縁膜２ａに形成された配線溝６と、配線溝６の底面に形成されたビア孔（接続孔）７と、配線溝６およびビア孔７の側壁を覆うバリアメタル膜２ｂと、を有する。ビア孔７は、径が異なる上部ビア孔５及び下部ビア孔３から構成されている。上部ビア孔５及び下部ビア孔３は、この順で下に向けて深さ方向に接続している。下部ビア孔３の径は（ｄ１）、上部ビア孔５の径（開口径ｄ２ａ＞底面径ｄ２ｂ）よりも小さい。下部ビア孔３と上部ビア孔５との接続部には、キャップ絶縁膜１ｄに対してほぼ平行な面４が形成されている。
【００１９】
より具体的には、本実施形態の半導体装置は、ダマシン法によって形成された下層Ｃｕ配線構造１および上層Ｃｕ配線構造２がこの順でシリコン基板（図示せず）上に形成されている。半導体基板とは、半導体装置が構成された基板であり、単結晶シリコン基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、液晶製造用基板などの基板が挙げられる。
【００２０】
下層Ｃｕ配線構造１は、絶縁膜１ａと絶縁膜１ａに埋め込まれた下部Ｃｕ配線１ｃと、下部Ｃｕ配線１ｃの側壁及び底面を覆うバリアメタル膜１ｂと、下部Ｃｕ配線１ｃを覆うキャップ絶縁膜１ｄとからなる。また、上層Ｃｕ配線構造２は、絶縁膜２ａと、絶縁膜２ａに埋め込まれた上部Ｃｕ配線２ｃと、上部Ｃｕ配線２ｃの側壁及び底面を覆うバリアメタル膜２ｂと、上部Ｃｕ配線２ｃを覆うキャップ絶縁膜２ｄとからなる。
【００２１】
下部ビア孔３と上部ビア孔５との接続部には、キャップ絶縁膜１ｄに対してほぼ平行な面４が設けられていればよいが、キャップ絶縁膜１ｄに対して０°〜１０°の傾きからなる水平面を有するとより好ましい。この水平面４の幅は、５ｎｍ以上とすることができる。換言すれば、上部ビア孔５の底面の径ｄ２ｂと下部ビア孔３の径ｄ１との差をΔｄ（ｄ２ｂ−ｄ１）としたとき、Δｄは、５ｎｍ以上とすることができる。Δｄの上限は、１００ｎｍ以下とすることができる。
【００２２】
図１で図示するように、上部ビア孔５の側壁は、テーパー状に形成させてもよい。この場合、上部ビア孔５の側壁の傾斜角が６０°〜９０°とする。なお、本実施形態でいう側壁の傾斜角とは、下地であるキャップ絶縁膜１ｄに対して平行な方向を０°とする。また、上部ビア孔５の深さをＤとしたとき、Ｄはビア孔７全体の深さの２０％以下とすることができる。たとえば、２０ｎｍ≦Ｄ≦４０ｎｍとすることができ、０．８≦Ｄ／Δｄ≦８を満たすようにすると好ましい。
【００２３】
また、上部ビア孔５の側壁は階段形状に形成されていてもよい。この場合、上部ビア孔５の側壁の傾斜角が０°〜１０°の水平面及び傾斜角が６０°〜９０°の傾斜面の組合せによる多段構造を採用することができる。
【００２４】
配線溝６および下部ビア孔３の側壁は、垂直形状にすると好ましく、傾斜角が６０°〜９０°の範囲であれば許容されるが、８０°〜９０°とするとより好ましい。
【００２５】
下部ビア孔３の底面はリスパッタプロセスにより下部Ｃｕ配線１ｃに埋め込まれている。換言すれば、アンカーが打ち込まれる形で下層Ｃｕ配線１ｃに掘り込まれている。
【００２６】
本実施形態では、下部Ｃｕ配線１ｃをキャップ絶縁膜１ｄで覆っている。また、上部Ｃｕ配線２ｃをキャップ絶縁膜２ｄで覆っている。キャップ絶縁膜とは、Ｃｕ配線の上面に形成され、Ｃｕの酸化や絶縁膜中へのＣｕの拡散を防ぐ機能、および、加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。キャップ絶縁膜１ｄ、２ｄは、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とすることができ、たとえば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣ膜などが用いることができる。低誘電率なキャップ絶縁膜を用いることで、配線信号の伝達遅延を改善することができる。キャップ絶縁膜は、バリア絶縁膜とも呼ばれる。
【００２７】
絶縁膜２ａは、上部Ｃｕ配線２ｃを絶縁分離する膜（層間絶縁膜）であり、絶縁膜１ａは、下部Ｃｕ配線１ｃを絶縁分離する膜である。絶縁膜１ａ、２ａは、低誘電率絶縁膜とすると、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減させることができる。たとえば、絶縁膜１ａ、２ａは、ＳｉとＣと酸素（Ｏ）とを主成分とする膜とすることができ、シリコン酸化膜（比誘電率３．９〜４．５）よりも比誘電率の低い材料を用いることができる。このような低誘電率絶縁膜として、シリコン酸化膜を多孔質化して、比誘電率を小さくした多孔質絶縁膜が挙げられ、具体的には、膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きいＳｉＯＣＨ膜、ＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ））膜、ＳｉＯＣ（例えば、Ｂｌａｃｋ ＤｉａｍｏｎｄＴＭ、ＣＯＲＡＬＴＭ、ＡｕｒｏｒａＴＭ）膜が例示される。多孔質絶縁膜は、互いに独立した複数の空孔を有するとより好ましく、空孔の平均空孔径０．８ｎｍ以下とするとさらに好ましい。より具体的には、絶縁膜１ａ、２ａとして、三量体の環状シロキサン構造を有し、環状シロキサン構造を構成しているシリコンに不飽和または飽和炭素鎖が結合している構成を採用することができる。
【００２８】
下部Ｃｕ配線１ｃ及び上部Ｃｕ配線２ｃは、Ｃｕを主成分とするが、配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良い。また、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕ配線の上面や側面などに形成されていても良い。
【００２９】
バリアメタル膜１ｂ、２ｂは、配線を構成する金属元素に対するバリア性を有する導電性膜である。バリアメタル膜２ｂは、上部Ｃｕ配線２ｃの側面および底面を被覆し、配線を構成する金属元素（Ｃｕ）が絶縁膜２ａや下層Ｃｕ配線構造１へ拡散することを防止する。バリアメタル膜１ｂ、２ｂとして、たとえば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が使用される。
【００３０】
つづいて、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について図２〜４を用いて説明する。図２〜４は断面図を示す。
【００３１】
まず、図２（ａ）で示すように、一般的なダマシンプロセスを用いて下層Ｃｕ配線構造２０１を形成する。すなわち、あらかじめ絶縁膜２０１ａに形成させた溝に、下部Ｃｕ配線２０１ｃを埋め込み、溝内以外の余剰な金属を、例えばＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより除去する。ついで、下部Ｃｕ配線２０１ｃの側面および外周をバリアメタル膜２０１ｂで覆い、下部Ｃｕ配線２０１ｃの上面をキャップ絶縁膜２０１ｄで覆う。なお、ＣＭＰ法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。ダマシン法による配線形成においては、特に、配線溝あるいはビア孔に対し金属を埋設した後に、余剰の金属部分を除去し、平坦な配線表面を得るために用いる。
【００３２】
ついで、下部Ｃｕ配線２０１ｃ上に絶縁膜２０２を形成する。ここでは、絶縁膜２０２としてＳｉＯＣＨ膜を成膜するプロセスを例にあげて説明する。ＳｉＯＣＨ膜としては、例えば、組成比がＳｉ：Ｏ：Ｃ＝１：０．９：２．７の膜が挙げられる。Ｃ含有量の多いＳｉＯＣＨ膜はリスパッタ耐性が高く、配線構造の変形やＬｏｗ−ｋ膜の比誘電率上昇などを抑制することが出来る。ＳｉＯＣＨ膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜することができる。プラズマＣＶＤ法とは、例えば、気体状の原料を減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、あるいは基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。
【００３３】
高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜の成膜に用いられる装置の概要を図５に示す。リザーバー３０１は絶縁膜２０２となるモノマー原料を充填する容器である。原料圧送部３０２はリザーバー３０１内の原料を送り出すため加圧する部位であり、圧送ガスには、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスが用いられる。キャリアガス供給部３０３はモノマー原料を輸送するＨｅなどの不活性ガスをキャリアガスとして供給する部分である。液体マスフロー３０４は供給する原料の流量を制御する装置である。ガスマスフロー３０５はキャリアガスの流量を制御する装置である。気化器３０６はモノマー原料を気化する装置である。リアクター３０７は気体となった原料をプラズマ重合より成膜を行う処理室である。ＲＦ電源３０９は気体となったモノマー原料とキャリアガスをプラズマ化する電力を供給する装置である。基板３０８は半導体基板である。排気ポンプ３１０はリアクター３０７に導入された原料ガスとキャリアガスなどを排気する装置である。
【００３４】
原料圧送部３０２からの圧送ガスによりリザーバー３０１からモノマー原料が送り出され、液体マスフロー３０４によりその流量を制御される。一方キャリアガス供給部３０３からはキャリアガスが供給され、その流量はガスマスフロー３０５によって制御される。原料及びキャリアガスは気化器３０６の直前で混合され、気化器３０６内に導入される。気化器３０６内には加熱されたヒータブロック（図示せず）が存在し、ここで液体のモノマー原料は気化され、リアクター３０７に導入される。リアクター３０７内では１３．５６ＭＨｚの高周波電力の印加により、気化したモノマー原料及びキャリアガスはプラズマ化し、プラズマ重合により基板３０８上に高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜が成膜される。原料モノマーは０．１ｇ／分以上１０ｇ／分以下であることが好ましく、さらに好ましくは２ｇ／分以下であることが好ましい。キャリアガスの流量は０．０５×１０３ｓｃｃｍ以上５×１０３ｓｃｃｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは２×１０３ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。リアクター３０７内の圧力は０．１３〜１．３ｋＰａであることが好ましい。ＲＦ電源の出力は２ｋＷ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１ｋＷ以下であることが好ましい。
【００３５】
高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜は、たとえば、環状有機シリカ構造を有する、下記一般式（１）で示される原料から成膜することができる。中でも、環状有機シリカ構造を有する原料が下記式（２）または式（３）に示す構造を有するものが特に好ましい。
【００３６】
【化１】
【００３７】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２は不飽和炭素化合物または飽和炭素化合物（アルキル基）であり、不飽和基はビニル基、プロペニル基、イソプロペニル基、メチルプロペニル基、ジメチルプロペニル基のいずれかであり、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかである。また、Ｒ１、Ｒ２は同じでも異なるものでも良い。
【００３８】
【化２】
【００３９】
【化３】
【００４０】
図２（ａ）に戻り、絶縁膜２０２上にハードマスク２０３としてＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。ハードマスクとは、層間絶縁膜の低誘電率化による強度低下により、直接ＣＭＰを行うのが困難な場合に、層間絶縁膜上に積層し、保護する役割の絶縁膜をさす。ついで、ハードマスク２０３を残した状態で絶縁膜２０２を貫通するビア孔（スルーホールビア）２０４を形成する。
【００４１】
ついで、図２（ｂ）で示すように、ビア孔２０４にレジスト（充填材）２０５を充填した後、ビア孔２０４の開口を覆う多層マスク（低温酸化膜２０６、反射防止膜２０７、レジスト２０８）を絶縁膜２０２上に形成する。該多層マスクを用いたリソグラフィ工程によりトレンチ溝パターン２０９を形成する（図２（ｂ））。
【００４２】
ついで、図２（ｃ）（ｄ）で示すように、該多層マスク及びレジスト２０５の一部を除去するとともに、ビア孔２０４の側壁の一部２０４ａを露出させる（第一のエッチング工程）。具体的には、多層マスクを上層から順に目的の配線溝の幅に除去し、さらにビア孔２０４の上部に至るまで過剰にレジスト２０５を除去することでビア孔２０４内にレジスト非充填部２１０を形成する（図２（ｃ））。そして、ＳｉＯ２膜（ハードマスク２０３）とＳｉＯＣＨ膜（絶縁膜２０２）との加工選択性が高いことを利用して、絶縁膜２０２を露出させて肩落ちの無い形状に加工し、ビア孔２０４の開口に水平面を形成する（図２（ｄ））。エッチャントには、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含む混合ガス（第一のエッチングガス）を用いることができ、ＣＨＦ系ガスに、Ａｒ、窒素（Ｎ２）、テトラフルオロカーボン（ＣＦ４）、ジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ２）及び酸素（Ｏ２）からなる群から選択されるガスを混合させるとよい。
【００４３】
ついで、図３（ｅ）（ｆ）（ｇ）で示すように、露出したビア孔の側壁２０４ａから絶縁膜２０２を除去して、配線溝６及びビア孔を形成する（第二のエッチング工程）。具体的には、配線溝６の加工の初期段階にてレジスト非充填部２１０をテーパー化させる（図３（ｅ））。レジスト２０５に保護されないレジスト非充填部２１０は、ビア孔２０４の側壁方向からもエッチングされるため、配線溝６の加工を進めることでテーパー化が進む。テーパー化がレジスト２０５まで到達したところで、レジスト２０５によりビア孔２０４の側壁方向からのエッチャントの供給が阻止され（ビア孔２０４の側壁方向からのエッチングがされなくなり）、テーパー化が止まる（図２（ｆ））。そこから、さらに配線溝６の加工を進めることで、レジスト非充填部２１０のみビア孔２０４の側壁方向にエッチングが進み、レジスト非充填部２１０の径が拡大する（図２（ｇ））。エッチャントとしては、酸素ガスを含む混合ガス（第二のエッチングガス）を用いることができる。具体的には、酸素ガスにＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３及びＣＨ２Ｆ２からなる群から選択されるガスを混合させるとよい。こうすることで、まず、上部ビア孔５が形成される。上部ビア孔５は、配線溝６と接続しかつ配線溝６の径ｄ３よりも径（開口径ｄ２ａ＞底面径ｄ２ｂ）が小さい。また、上部ビア孔５の底面４は、ビア孔２０４の底面に対してほぼ平行に形成されている。上部ビア孔５の底面は、ビア孔２０４の底面に対して０°〜１０°の傾きに形成させると好ましい。また、ビア孔の２０４の開口部の周縁を水平面に保ちつつエッチングを行い、さらに途中でテーパー化を止めることにより、上部ビア孔５の側壁の傾斜角を６０°以上にすることも可能である。
【００４４】
ついで、図３（ｈ）で示すように、上部ビア孔５の底面４からレジスト２０５を、たとえばアッシングにより除去し、さらに酸素原子（Ｏ）を含む酸化ガスとフッ化物ガスの混合ガスから発生させたプラズマによりビア孔底のキャップ膜２０１ｄを除去する。アッシングおよび酸化ガスにはＯ２ガスもしくは二酸化炭素ガス（ＣＯ２）などを用いることができ、特にＯ２プラズマを用いることが望ましい。
【００４５】
ついで、図４（ｉ）で示すように、第１のバリアメタル膜２１２をＰＶＤ（物理気相蒸着）法によって成膜する。Ａｒイオンスパッタにより、下部ビア孔３の底部の第１のバリアメタル膜２１２をリスパッタ処理し、下部Ｃｕ配線２０１ｃのＣｕを掘り込み、パンチスルー部２１３を形成する（図４（ｊ））。ついで、第２のバリアメタル膜２１４をＰＶＤ法により成膜する（図４（ｋ））。たとえば電界メッキ法により、配線溝６およびビア孔７をＣｕまたはＣｕ合金で埋め込んで上部Ｃｕ配線２１５を作製し、キャップ絶縁膜２１６で上部Ｃｕ配線２１５を覆う（図４（ｌ））。なお、ＰＶＤ法とは、通常のスパッタリング法でもよいが、埋め込み特性の向上や、膜質の向上や、膜厚のウェハ面内均一性を図る上では、例えばロングスロースパッタリング法やコリメートスパッタリング法、イオナイズドスパッタリング法、などの指向性の高いスパッタリング法を用いることもできる。合金をスパッタする場合には、あらかじめ金属ターゲット内に主成分以外の金属を固溶限以下で含有させることで、成膜された金属膜を合金膜とすることができる。その後、任意のプロセスを経て半導体装置を完成させる。
【００４６】
つづいて、本実施形態の作用効果について図１を用いつつ説明する。本実施形態によれば、径が異なる複数の孔（上部ビア孔５および下部ビア孔３）を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させ、接続部に下地に対してほぼ平行な面４を有するビア孔７を備える。これにより、ビア孔７内の水平面４でバリアメタルをリスパッタさせることができ、ビア孔７の側壁にバリアメタルを再付着させることができる。したがって、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【００４７】
また、このようなビア孔７を設けることで、ビア孔７の側壁の傾斜角を容易に大きくすることができる。したがって、リスパッタプロセスの併用が可能となり、Ｃｕ埋設が容易となる。また、ビア孔７の水平面４の幅Δｄを５ｎｍ以上とし、下地となるキャップ絶縁膜１ｄに対して０°〜１０°の傾きとすることで、適量リスパッタされたバリアメタルがビア孔７の側壁に再付着する。そのため、仮にビア孔７の側壁のテーパー角が３０°〜６０°である場合でも、ビア孔７の側壁には水平面４からバリアメタルが供給されるため、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの過剰リスパッタを抑制することができる。したがって、バリアメタル被覆性を向上させることができる。
【００４８】
非特許文献１には、酸素イオンによるエッチング速度とイオン入射角との相関例が示されている。この例を図１５に示す。この相関例は、テーパー角とリスパッタ速度の相関と同等に考えることができる。すなわち、ビアの側壁（図１５中ｃ）を９０°とし、配線溝の底面０°（図１５中ａ）としたとき、テーパー角３０〜６０°の範囲（図１５中ｂ）では配線溝の底面よりもリスパッタの速度が２倍以上となる。従ってテーパー角によってはリスパッタが過剰となり、テーパー部分でのバリアメタル膜の膜厚不足を引き起こす。さらに、それがＣｕシードの被覆性の劣化やそれにともなうマイクロボイドの増加などの原因となり、最終的にはビア配線の信頼性を劣化させることになる。
【００４９】
特許文献１に記載された製造方法を用いる場合、リスパッタプロセスとの併用を考慮するとテーパー角が６０°以上のテーパー形状が要求される。しかしエッチング速度は４５°付近で最大になるため、テーパー角は通常４５〜５０°で安定する。特許文献１に記載の実施例においてもテーパー角は５３°とあり、テーパー面におけるリスパッタ速度の上昇を考慮すると、十分なリスパッタを行なえない。
【００５０】
本実施形態の半導体装置では、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させて、Ｃｕ埋設性を向上させることができる。したがって、スルーホールビアの製造歩留まりと信頼性を向上させることができる。
【００５１】
以下に本発明の具体的な材料構成を含めた実施例について図面を用いて説明する。
【００５２】
（実施例）
図６〜９は、本発明の実施例における半導体装置の製造方法を示す断面図である。シリコン基板（図示せず）上に第１配線層６０１をシングルダマシン法によって形成した（図６（ａ））。すなわち、あらかじめ絶縁膜６０１ａに形成させた溝に、下部Ｃｕ配線６０１ｃを埋め込み、溝内以外の余剰な金属をＣＭＰ法により除去する。ついで、下部Ｃｕ配線６０１ｃの側面および外周をバリアメタル膜６０１ｂで覆い、下部Ｃｕ配線６０１ｃの上面をキャップ絶縁膜６０１ｄで覆う。なお、この上部にデュアルダマシン法またはシングルダマシン法によって形成される第２以降の配線層についても第１配線層６０１と同様な方法で形成することが可能である。第１配線層６０１を形成する配線層間絶縁膜６０１ａと第２配線層以降を形成する配線層間絶縁膜６０２は異なる膜であってもよい。たとえば、第１配線層６０１を形成する配線層間絶縁膜６０１ａは、比誘電率が３．１のＳｉＯＣＨ膜、第２配線層以降を形成する配線層間絶縁膜６０２は、比誘電率が２．５のＳｉＯＣＨ膜でもよい。
【００５３】
第１配線層６０１上に、配線層間絶縁膜６０２となる、厚さ２１０ｎｍで比誘電率が２．５のＳｉＯＣＨ膜を、上記式（２）に示す環状有機シリカ構造を有する原料から、上述したプラズマＣＶＤ法により成膜した。
【００５４】
その後、処理時間１５〜３０秒のＨｅプラズマ処理による表面改質層の形成を行い、同一チャンバーにて、ハードマスク６０３として厚さ８０ｎｍのＳｉＯ２膜を、ＳｉＨ４をソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法により成膜した。ハードマスク６０３のＳｉＯ２膜としてはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）をソースガスに用いたＳｉＯ２膜を用いてもよい。また、前記Ｈｅプラズマ処理と、ＳｉＯ２ハードマスク成膜は別チャンバーで行ってもよい。その後、既存のスルーホールエッチング工程によりスルーホールビア６０４を形成する（図６（ｂ））。
【００５５】
次に、厚さ２５０ｎｍのレジスト６０５を塗布しスルーホールビア６０４を充填する（図６（ｃ））。
【００５６】
次に、スルーホールビア６０４への充填部分がレジスト６０５の表面に凹凸を形成するため、酸素プラズマを用いたレジスト６０５の全面エッチバックを行う。（図６（ｄ））。このときレジスト６０５のエッチバック条件は、例えば、Ｏ２流量０．１×１０３〜０．３×１０３ｓｃｃｍ、圧力：１．３〜４Ｐａ（１０〜３０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．５〜１．５ｋＷ、時間：１０〜６０秒に設定することが好ましい。
【００５７】
その後、ハードマスク６０３上に再度、厚さ２５０ｎｍのレジスト６０６を塗布し、低温酸化膜６０７、反射防止膜６０８及びレジスト６０９からなる多層レジストマスクを形成する。該多層レジストマスクを用いた露光プロセスを経て、トレンチパターン６１０を形成する（図７（ｅ））。
【００５８】
次に、既存のレジスト加工プロセスによりトレンチパターン６１０部分のハードマスク６０３を露出させる（図７（ｆ））。ハードマスク６０３とレジスト６０６との加工選択性を利用し、レジスト６０６のみをスルーホールビア６０４の上部を部分的に除去し非充填部６１１を形成する（図７（ｇ））。非充填部６１１の深さ（ΔＤ）は２０〜４０ｎｍであることが望ましい。非充填部６１１を形成後、ハードマスク６０３のエッチングを行う際に、ＳｉＯ２膜（ハードマスク６０３）とＳｉＯＣＨ膜（配線層間絶縁膜６０２）との加工選択性がある等方性エッチングを用いることにより、配線層間絶縁膜６０２を肩落ちさせずに露出させる（図７（ｈ））。このときハードマスク６０３のエッチング条件は、例えば、Ａｒ：０．４×１０３〜１×１０３ｓｃｃｍ、ＣＦ４：０〜０．３５×１０３ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３：２０〜４０ｓｃｃｍ、圧力：４〜６．７Ｐａ（３０〜５０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．５〜１．５ｋＷ、時間：４０〜６０秒に設定することが好ましい。
【００５９】
次に、酸素流量含有エッチング条件にて配線層間絶縁膜６０２をドライエッチングし、共に充填材レジスト６０５も同程度のレートでドライエッチングする。ドライエッチングが進むにつれ非充填部６１１の配線層間絶縁膜６０２は肩落ちをし始める（図８（ｉ））。そのままトレンチエッチングを進めることで非充填部６１１の径が拡大していき（図８（ｊ））、２段形状となる（図８（ｋ））。このときトレンチエッチングの条件は、例えばＡｒ：０．２×１０３〜０．６×１０３ｓｃｃｍ、ＣＦ４：０．３×１０３〜０．５×１０３ｓｃｃｍ、Ｏ２：５〜１０ｓｃｃｍ、圧力：４〜６．７Ｐａ（３０〜５０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．２〜１ｋＷ、時間：５〜２０秒に設定することが好ましい。
【００６０】
スルーホールビア６０４を２段形状化して配線溝及び上部ビア孔を形成した後、充填材レジスト６０５、レジスト６０６をＯ２を用いたアッシングにより除去し、引き続きＣＦ４、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを用いたドライエッチングによりビア底部キャップ絶縁膜６０１ｄを開口させて開口部（下部ビア孔）６１２を形成する（図８（ｌ））。
【００６１】
次に、薬液処理にて開口部６１２のＣｕ配線表面のＣｕ酸化物やエッチング生成物などを除去し、開口部６１２を清浄する。このとき、前記薬液はフッ素を含むことが望ましい。さらに、厚さ３〜５ｎｍの第１のバリアメタル膜６１３をイオン化スパッタ法によって成膜する（図９（ｍ））。Ａｒイオンスパッタにより、ビア底部の第１のバリアメタル膜６１３をリスパッタ処理し、第１配線層のＣｕを５〜２０ｎｍ掘り込み、パンチスルー部６１４を形成し（図９（ｎ））、厚さ５〜１０ｎｍの第２のバリアメタル膜６１５をスパッタ成膜する（図９（ｏ））。このとき、バリアメタル膜６１３、６１５の成膜にＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用しても良い。また、第１のバリアメタル膜６１３には窒化タンタルまたは窒素含有タンタル膜が好ましい。
【００６２】
その後、バリアメタル膜６１５上に電界めっき法によりＣｕまたはＣｕ合金を埋設して上部Ｃｕ配線６１６を形成し、その後、Ｃｕ粒成長のために窒素雰囲気中で３５０℃、２分間の熱処理をした後、余剰なＣｕおよびハードマスク６０３をＣＭＰにより除去する。ＣＭＰ処理により第２の配線層を形成した後、キャップ絶縁膜６１７をＣＶＤ法により成膜することで、ＳｉＯＣＨ膜を用いた２層配線を形成する（図９（ｐ））。このときＣｕまたはＣｕ合金はＣｕＡｌやその他のＣｕ合金であってもよい。
【００６３】
本実施例で示した方法のうち、図７（ｇ）で示す工程において、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を０〜２０ｎｍ、２０〜４０ｎｍ、４０ｎｍ以上としたビア配線を３種作製し以下のように評価した。
【００６４】
１．ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による観察
図１０はビア配線形状の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した結果を示す図である。レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を０〜１０ｎｍと小さくすると、図１０（ａ）のようにビア配線形状は肩落ちの無い垂直形状となる（これを以下垂直ビアという。）。それに対して、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を２０〜４０ｎｍとした場合、図１０（ｂ）のように非充填部深さに対応して２段形状となることが分かる（これを以下２段ビアという。）。さらに、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を４０〜１００ｎｍで加工した場合、図１０（ｃ）のように、テーパー角４５°のテーパー形状となった（これを以下テーパビアという。）。このように、スルーホールビア６０４のレジスト充填量によってビア配線の形状を制御が可能となることがわかった。２段ビアは、図１に対応する構造を有し、上部ビア孔５および下部ビア孔３が連結しているビア孔７が配線溝６の底面に形成されている。上部ビア孔５および下部ビア孔３の接続部にはほぼ水平な面４が形成されている。上部ビア孔５および下部ビア孔３の接続部の底面４は下地のキャップ絶縁膜に対して対し５°の傾きを有していた。また、Δｄは５０ｎｍであり、Ｄ／Δｄは０．６６であった。
【００６５】
２．ビア抵抗の評価
図１１は、上述した３種類のビア配線形状におけるそれぞれのビア抵抗の確率累積分布を示す。テーパビアは低抵抗側に大きくバラツキがあったのに対し、垂直ビア及び２段ビアではバラツキを小さくできた。テーパビアはビア底がエッチャント供給方向に露出しているため、図８（ｌ）で示したキャップ絶縁膜６０１ｄの開口処理の際に、ビア径が拡大しやすい。そのため、テーパビアは低抵抗側に大きくばらついたと考えられた。一方、垂直ビア及び２段ビアではキャップ絶縁膜６０１ｄの開口時に寸法変動が起こりにくいためバラツキを小さくできたと考えられた。
【００６６】
３．大規模ビアチェーンの不良数の評価
図１２は、上述した３種のビア配線形状における大規模ビアチェーンの不良数について比較した結果を示している。垂直ビアやテーパビアに比べ、２段ビアでは不良数が大きく低減し、垂直ビアの１／２となった。
【００６７】
４．応力起因ボイド（Ｓｔｒｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｏｉｄｉｎｇ、ＳＩＶ）に対する信頼性評価
図１３は、上述した３種のビア配線形状におけるＳｉＶ信頼性試験の結果を示している。ＳｉＶ信頼性の不良判定としては、ＳｉＶ評価チェーンの単位ビア当りの抵抗値が１０％上昇した場合をＳｉＶ不良と定義した。貫通孔で接続された下層配線と上層配線をそれぞれＭ１、Ｍ２としたとき、Ｍ２/Ｍ１＝０．１４／３．０μｍのパターンにおいて高温保管１０００時間まで行なった結果、テーパビアの不良率が２０％近くまで上昇するのに対し、垂直ビアでは不良率０％であり、２段ビアでも１％程度（測定ＴＥＧ中１個）と高信頼性を示した。
【００６８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、本実施形態では、下地がキャップ絶縁膜である例について説明したが、下地が基板であってもよい。本発明の他の態様について以下に説明する。
【００６９】
本発明の他の態様としては、Ｃｕ配線上に形成されたシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜とＳｉとＣと酸素（Ｏ）を主成分とする配線層間絶縁膜からなる積層構造であり、かつ該配線層間絶縁膜中にスルーホールビアを介して、下層の該Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線が形成され、該スルーホールビアが少なくとも２つの異なる直径を持つ多段構造であって、該多段構造スルーホールビアの異なる直径の接続部が０°〜１０°の水平面を有していることを特徴とする半導体装置がある。
他の態様の半導体装置は、前記多段構造スルーホールビアの異なる直径の差が少なくとも５ｎｍ以上あることを特徴とする。
さらには、前記段構造スルーホールビアのビア底が下地Ｃｕ配線中まで埋め込まれていることを特徴とする。
さらには、前記配線絶縁膜が膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であることを特徴とする。
さらには、前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜が平均空孔径０．８ｎｍ未満で、かつそれぞれの空孔が独立空孔であることを特徴とする膜であることを特徴とする。
さらには、前記キャップ絶縁膜が、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮのいずれか、またはこれらの積層膜であることを特徴とする。あるいは、前記キャップ絶縁膜は、不飽和炭化水素とアモルファスカーボンを有する複合膜、もしくは前記ＳｉＣＮあるいはＳｉＣと膜と該複合膜との積層膜であることを特徴とする。
さらには、前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜は、上記一般式（１）に示す環状有機シリカ構造を有することを特徴とする。
さらには、前記環状有機シリカ構造が上記一般式（２）、式（３）に示す構造を有することを特徴とする。
【００７０】
また、本発明の他の態様の半導体装置の製造方法としては、Ｃｕ配線上に形成されたＳｉとＣとを主成分とするキャップ絶縁膜と、ＳｉとＣを酸素（Ｏ）を主成分とする配線層間絶縁膜からなる積層構造であり、かつ該配線層間絶縁膜中にスルーホールビアを介して下層の該Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線を形成する半導体装置の製造方法であって、かかる積層構造に該デュアルダマシン配線を形成する工程において、公知のドライエッチング工程により形成したスルーホールビアに充填物を埋設する工程と、該スルーホールビア上に公知の多層マスクおよびリソグラフィ工程によりトレンチ溝パターンを形成する工程と、該多層マスクを炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含有する混合ガスを用いたドライエッチングにて除去し、さらに過剰にエッチングを進めることによりスルーホールビア内充填物を一部除去することにより、スルーホールビア内に非充填部を形成する工程と、Ｏ２を含有する混合ガスを用いたドライエッチングにて該充填物と該配線絶縁膜をドライエッチングすることによってトレンチ溝を形成すると同時に、該スルーホールビア開口部を多段形状に加工する工程と、Ｏ２又は酸素（Ｏ）を含む酸化ガスを用いて該充填物を除去する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法がある。
さらには、前記ＣＨＦ系ガスを含有する混合ガスが、Ａｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２のいずれか、またはこれらのうち複数のガスを含むことを特徴とする。
さらには、前記Ｏ２を含有する混合ガスがＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３のいずれか、またはこれらのうち複数のガスを含むことを特徴とする。
さらには、前記配線絶縁膜が組成比Ｃ／Ｓｉが１以上のＳｉＯＣＨ膜であることを特徴とする。
【００７１】
上記の態様によれば、Ｃｕ配線上に形成された配線層間絶縁膜のビアファースト・デュアルダマシン加工方法において、トレンチ溝加工と同時にスルーホールビアを少なくとも２つの異なる直径を持つ多段構造に加工することにより、スルーホールビアのアスペクト比を低減し、Ｃｕ埋設性の向上を実現する。その結果、スルーホールビアの製造歩留まりと信頼性を向上させる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 下層Ｃｕ配線構造
１ａ 絶縁膜
１ｂ バリアメタル膜
１ｃ 下部Ｃｕ配線
１ｄ キャップ絶縁膜
２ 上層Ｃｕ配線構造
２ａ 絶縁膜
２ｂ バリアメタル膜
２ｃ 上部Ｃｕ配線
２ｄ キャップ絶縁膜
３ 下部ビア孔
４ 接続部の底面
５ 上部ビア孔
６ 配線溝
７ ビア孔
１４０ 下部配線
１４１ 配線溝
１４２ ビア
２０１ 下層Ｃｕ配線構造
２０１ａ 絶縁膜
２０１ｂ バリアメタル膜
２０１ｃ 下部Ｃｕ配線
２０１ｄ キャップ絶縁膜
２０２ 絶縁膜
２０３ ハードマスク
２０４ ビア孔
２０４ａ ビア孔の側壁の一部
２０５ レジスト
２０６ 低温酸化膜
２０７ 反射防止膜
２０８ レジスト
２０９ トレンチ溝パターン
２１０ 非充填部
２１２ 第１のバリアメタル膜
２１３ パンチスルー部
２１４ 第２のバリアメタル膜
２１５ 上部Ｃｕ配線
２１６ キャップ絶縁膜
３０１ リザーバー
３０２ 原料圧送部
３０３ キャリアガス供給部
３０４ 液体マスフロー
３０５ ガスマスフロー
３０６ 気化器
３０７ リアクター
３０８ 基板
３０９ ＲＦ電源
３１０ 排気ポンプ
４０１ ビア用エッチングストッパ膜
４０２ ビア間絶縁膜
４０３ 配線用エッチングストッパ膜
４０４ 配線間絶縁膜
６０１ 第１配線層
６０１ａ 絶縁膜
６０１ｂ バリアメタル膜
６０１ｃ 下部Ｃｕ配線
６０１ｄ キャップ絶縁膜
６０２ 配線層間絶縁膜
６０３ ハードマスク
６０４ スルーホールビア
６０５ レジスト
６０６ レジスト
６０７ 低温酸化膜
６０８ 反射防止膜
６０９ レジスト
６１０ トレンチパターン
６１１ 非充填部
６１２ 開口部
６１３ 第１のバリアメタル膜
６１４ パンチスルー部
６１５ 第２のバリアメタル膜
６１６ 上部Ｃｕ配線
６１７ キャップ絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化と集積化の進展にともない、シリコン基板に形成されたトランジスタの上層に形成される多層配線の微細化が急速に進展している。該多層配線では、水平方向にトランジスタ素子を接続する配線とともに、垂直方向に該配線を接続する貫通ビアから構成されている。６５ｎｍノード以降、配線材料として銅（Ｃｕ）を用い、また配線間絶縁膜の材料として低誘電率のシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）を主成分とするＳｉＯＣＨ膜を用いることが一般的となっている。銅による配線パターンを形成する際には、該配線と該ビアとを同時に作りこむ、デュアルダマシン構造が最も普及している。
【０００３】
デュアルダマシン構造を貫通ビアから先に形成する、ビアファースト・デュアルダマシン加工法では、図１４（ａ）に示すように、下部配線１４０上にビア用エッチングストッパ膜４０１、ビア間絶縁膜４０２、配線用エッチングストッパ膜４０３及び配線間絶縁膜４０４を順に成膜し、配線溝１４１及びビア１４２をそれぞれのエッチングストッパ膜まで順に加工する。その後、ビア用エッチングストッパ膜４０１と配線用エッチングストッパ膜４０３とを同時に除去することでデュアルダマシン構造を形成する。ビア用エッチングストッパ膜４０１はＣｕバリア性を有したキャップ絶縁膜である。ビアファースト・デュアルダマシン加工法ではビア用エッチングストッパ膜４０１と配線用エッチングストッパ膜４０３とを同時に除去することから、配線用エッチングストッパ膜４０３にもキャップ絶縁膜を用いることが多い。
【０００４】
一般に、キャップ絶縁膜とは、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）を主成分とするシリコン炭化膜（ＳｉＣ）、ＳｉＣに窒素を添加したシリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）、酸素を添加したシリカカーボン複合膜（ＳＣＣ（Ｓｉｌｉｃａ−ｃａｒｂｏｎ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）膜）等が用いられている。また、配線間絶縁膜が高Ｃ濃度のＬｏｗ−ｋ膜である場合はエッチングストップ性を高めるため、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）をキャップ絶縁膜上に積層することもある。逆に、Ｃｕ界面の酸化の防止を目的とし、５ｎｍ〜１０ｎｍ厚程度の極薄のＳｉＮ膜上に該キャップ絶縁膜を成長する場合もある。
【０００５】
配線用エッチングストッパ膜は、ビアの開口部の周縁を保護することもできる。これにより、ビアは配線溝の加工中に変形することなく垂直形状を維持できる。そのため、垂直形状のビアを有するデュアルダマシン形状がこれまで一般的であった。
【０００６】
近年、デバイスの微細化ともない、寄生容量低減のため配線層間膜へのＬｏｗ−ｋ膜の適用が検討されている。しかしながら、Ｌｏｗ−ｋ膜は膜強度が低く熱膨張率が高いため、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）や応力起因ボイド（ＳｉＶ）といった応力の影響を受けるビア配線の信頼性劣化への影響が懸念される。一般的に、応力はＣｕ配線中に存在するマイクロボイドの移動や成長に影響するとされており、Ｌｏｗ−ｋ材料を用いた場合、前記の理由によりボイドの成長が加速すると考えられている。そのため、Ｌｏｗ−ｋ材料の適用によるビア配線信頼性劣化の抑制には、Ｃｕ埋設性の改善などによりＣｕ配線中におけるマイクロボイドを減少させることが有効である。つまり、Ｌｏｗ−ｋ膜の適用にはマイクロボイドのない高いＣｕ埋設性が強く要求される。しかし、実際には、デバイスの微細化により垂直形状のビアへのＣｕの埋設の難易度が高くなってきている。
【０００７】
また、寄生容量低減の一環として配線用エッチストッパ膜をなくすこと（ストッパレス化）が要求されている。しかしながら、図１４（ｂ）のようにストッパレス化によってビア１４２の開口部の肩落ちおよびビア１４２の側壁のテーパー形状化が発生し易くなる。特許文献１では、配線用エッチングストッパ膜をなくし、Ｃｕ埋設性を向上させるためにビアの開口部付近のみを部分的にテーパー化した、部分テーパー形状ビア配線が提案されている。部分テーパー形状ビアは垂直形状ビアに比べ見かけのアスペクト比が小さくなるため、垂直形状ビアに比べＣｕ埋設性の向上が期待できる。
【０００８】
特許文献２では、ビア側壁角が負の角度にならないようにする。これにより、応力の集中を発生させる原因となる形状がビア側壁になく、ストレスマイグレーションを低減し、配線の信頼性がより高くなることが記載されている。また、特許文献２では、ビア側壁角に少なくとも２つの極大値を持ち、これらの極大値間に極小値を有する構成を採用する。これにより、ビア側壁の中間部でビア開孔径が急激に大きくなり、単純なテーパー形状よりもビア開孔の実質的なアスペクト比が小さくなる。そのため、金属の埋め込み性が改善することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−４７５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−３５６５２１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｃ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ，"Ｎｅｗ ｔａｐｅｒ−ｅｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ｉｏｎ ｐｌａｓｍａ", Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ ８ （３），１９９０，５２９−５３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記文献記載の技術には、バリアメタルの被覆性を向上させるリスパッタプロセスに適さないという課題がある。リスパッタプロセスはアルゴン（Ａｒ）イオン等を用いたイオンボンバードメントにより、配線溝の底面及びビアの底面に成膜したバリアメタル膜をリスパッタさせることで、配線溝の側壁やビアの側壁にバリアメタルを再付着させてバリアメタルの被覆性を向上させるプロセスである。バリアメタルのリスパッタ速度はイオンの入射角に依存するため、側壁のテーパー角によってリスパッタ量が変動する。そのため、テーパーを有するビアの側壁では、バリアメタルがスパッタされてしまい、バリアメタルを再付着させることができない部位が生じていた。したがって、上記従来の技術では、リスパッタプロセスによりバリアメタル膜の被覆性を向上させることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、
下地上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底面に形成された接続孔と、
少なくとも前記接続孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、
を有し、
前記接続孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、
前記複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続され、
前記複数の孔の接続部に前記下地に対してほぼ平行な面を有する、半導体装置
が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、
絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を貫通する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔に充填材を充填する工程と、
前記接続孔の開口を覆うマスクを前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記マスク及び前記充填材の一部を除去するとともに前記接続孔の側壁の一部を露出させる第一のエッチング工程と、
露出した前記接続孔の側壁から前記絶縁膜を除去して、配線溝及び接続孔を形成する第二のエッチング工程と、
少なくとも前記接続孔の側壁をバリアメタル膜で覆う工程と、
を含み、
前記第二のエッチング工程において、
前記配線溝の底面から径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させて前記接続孔を形成し、前記複数の孔の接続部に前記接続孔の底面に対してほぼ平行な面を形成させる、半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
この発明によれば、径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させ、接続部に下地に対してほぼ平行な面を有する接続孔を備える。これにより、接続孔の水平な面でバリアメタルをリスパッタさせることができ、接続孔の側壁にバリアメタルを再付着させることができる。したがって、接続孔の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、接続孔の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図３】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図４】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】実施の形態に係る半導体装置の製造方法で用いる製造装置を示す図である。
【図６】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図７】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図８】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図９】実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図１０】実施例のビア配線形状の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した結果を示す図である。
【図１１】実施例のビア配線のビア抵抗の確率累積分布を示す図である。
【図１２】実施例のビア配線における大規模ビアチェーンの不良数の結果を示す図である。
【図１３】実施例のビア配線の応力起因ボイド（Ｓｔｒｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｏｉｄｉｎｇ、ＳＩＶ）に対する信頼性評価の結果を示す図である。
【図１４】従来のビア配線を示す図である。
【図１５】酸素イオンによるエッチング速度とイオン入射角との相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、下地となるキャップ絶縁膜１ｄ上に形成された絶縁膜２ａと、絶縁膜２ａに形成された配線溝６と、配線溝６の底面に形成されたビア孔（接続孔）７と、配線溝６およびビア孔７の側壁を覆うバリアメタル膜２ｂと、を有する。ビア孔７は、径が異なる上部ビア孔５及び下部ビア孔３から構成されている。上部ビア孔５及び下部ビア孔３は、この順で下に向けて深さ方向に接続している。下部ビア孔３の径は（ｄ１）、上部ビア孔５の径（開口径ｄ２ａ＞底面径ｄ２ｂ）よりも小さい。下部ビア孔３と上部ビア孔５との接続部には、キャップ絶縁膜１ｄに対してほぼ平行な面４が形成されている。
【００１９】
より具体的には、本実施形態の半導体装置は、ダマシン法によって形成された下層Ｃｕ配線構造１および上層Ｃｕ配線構造２がこの順でシリコン基板（図示せず）上に形成されている。半導体基板とは、半導体装置が構成された基板であり、単結晶シリコン基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、液晶製造用基板などの基板が挙げられる。
【００２０】
下層Ｃｕ配線構造１は、絶縁膜１ａと絶縁膜１ａに埋め込まれた下部Ｃｕ配線１ｃと、下部Ｃｕ配線１ｃの側壁及び底面を覆うバリアメタル膜１ｂと、下部Ｃｕ配線１ｃを覆うキャップ絶縁膜１ｄとからなる。また、上層Ｃｕ配線構造２は、絶縁膜２ａと、絶縁膜２ａに埋め込まれた上部Ｃｕ配線２ｃと、上部Ｃｕ配線２ｃの側壁及び底面を覆うバリアメタル膜２ｂと、上部Ｃｕ配線２ｃを覆うキャップ絶縁膜２ｄとからなる。
【００２１】
下部ビア孔３と上部ビア孔５との接続部には、キャップ絶縁膜１ｄに対してほぼ平行な面４が設けられていればよいが、キャップ絶縁膜１ｄに対して０°〜１０°の傾きからなる水平面を有するとより好ましい。この水平面４の幅は、５ｎｍ以上とすることができる。換言すれば、上部ビア孔５の底面の径ｄ２ｂと下部ビア孔３の径ｄ１との差をΔｄ（ｄ２ｂ−ｄ１）としたとき、Δｄは、５ｎｍ以上とすることができる。Δｄの上限は、１００ｎｍ以下とすることができる。
【００２２】
図１で図示するように、上部ビア孔５の側壁は、テーパー状に形成させてもよい。この場合、上部ビア孔５の側壁の傾斜角が６０°〜９０°とする。なお、本実施形態でいう側壁の傾斜角とは、下地であるキャップ絶縁膜１ｄに対して平行な方向を０°とする。また、上部ビア孔５の深さをＤとしたとき、Ｄはビア孔７全体の深さの２０％以下とすることができる。たとえば、２０ｎｍ≦Ｄ≦４０ｎｍとすることができ、０．８≦Ｄ／Δｄ≦８を満たすようにすると好ましい。
【００２３】
また、上部ビア孔５の側壁は階段形状に形成されていてもよい。この場合、上部ビア孔５の側壁の傾斜角が０°〜１０°の水平面及び傾斜角が６０°〜９０°の傾斜面の組合せによる多段構造を採用することができる。
【００２４】
配線溝６および下部ビア孔３の側壁は、垂直形状にすると好ましく、傾斜角が６０°〜９０°の範囲であれば許容されるが、８０°〜９０°とするとより好ましい。
【００２５】
下部ビア孔３の底面はリスパッタプロセスにより下部Ｃｕ配線１ｃに埋め込まれている。換言すれば、アンカーが打ち込まれる形で下層Ｃｕ配線１ｃに掘り込まれている。
【００２６】
本実施形態では、下部Ｃｕ配線１ｃをキャップ絶縁膜１ｄで覆っている。また、上部Ｃｕ配線２ｃをキャップ絶縁膜２ｄで覆っている。キャップ絶縁膜とは、Ｃｕ配線の上面に形成され、Ｃｕの酸化や絶縁膜中へのＣｕの拡散を防ぐ機能、および、加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。キャップ絶縁膜１ｄ、２ｄは、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とすることができ、たとえば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣ膜などが用いることができる。低誘電率なキャップ絶縁膜を用いることで、配線信号の伝達遅延を改善することができる。キャップ絶縁膜は、バリア絶縁膜とも呼ばれる。
【００２７】
絶縁膜２ａは、上部Ｃｕ配線２ｃを絶縁分離する膜（層間絶縁膜）であり、絶縁膜１ａは、下部Ｃｕ配線１ｃを絶縁分離する膜である。絶縁膜１ａ、２ａは、低誘電率絶縁膜とすると、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減させることができる。たとえば、絶縁膜１ａ、２ａは、ＳｉとＣと酸素（Ｏ）とを主成分とする膜とすることができ、シリコン酸化膜（比誘電率３．９〜４．５）よりも比誘電率の低い材料を用いることができる。このような低誘電率絶縁膜として、シリコン酸化膜を多孔質化して、比誘電率を小さくした多孔質絶縁膜が挙げられ、具体的には、膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きいＳｉＯＣＨ膜、ＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ））膜、ＳｉＯＣ（例えば、Ｂｌａｃｋ ＤｉａｍｏｎｄＴＭ、ＣＯＲＡＬＴＭ、ＡｕｒｏｒａＴＭ）膜が例示される。多孔質絶縁膜は、互いに独立した複数の空孔を有するとより好ましく、空孔の平均空孔径０．８ｎｍ以下とするとさらに好ましい。より具体的には、絶縁膜１ａ、２ａとして、三量体の環状シロキサン構造を有し、環状シロキサン構造を構成しているシリコンに不飽和または飽和炭素鎖が結合している構成を採用することができる。
【００２８】
下部Ｃｕ配線１ｃ及び上部Ｃｕ配線２ｃは、Ｃｕを主成分とするが、配線の信頼性を向上させるため、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕからなる部材に含まれていても良い。また、Ｃｕ以外の金属元素がＣｕ配線の上面や側面などに形成されていても良い。
【００２９】
バリアメタル膜１ｂ、２ｂは、配線を構成する金属元素に対するバリア性を有する導電性膜である。バリアメタル膜２ｂは、上部Ｃｕ配線２ｃの側面および底面を被覆し、配線を構成する金属元素（Ｃｕ）が絶縁膜２ａや下層Ｃｕ配線構造１へ拡散することを防止する。バリアメタル膜１ｂ、２ｂとして、たとえば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が使用される。
【００３０】
つづいて、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について図２〜４を用いて説明する。図２〜４は断面図を示す。
【００３１】
まず、図２（ａ）で示すように、一般的なダマシンプロセスを用いて下層Ｃｕ配線構造２０１を形成する。すなわち、あらかじめ絶縁膜２０１ａに形成させた溝に、下部Ｃｕ配線２０１ｃを埋め込み、溝内以外の余剰な金属を、例えばＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより除去する。ついで、下部Ｃｕ配線２０１ｃの側面および外周をバリアメタル膜２０１ｂで覆い、下部Ｃｕ配線２０１ｃの上面をキャップ絶縁膜２０１ｄで覆う。なお、ＣＭＰ法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。ダマシン法による配線形成においては、特に、配線溝あるいはビア孔に対し金属を埋設した後に、余剰の金属部分を除去し、平坦な配線表面を得るために用いる。
【００３２】
ついで、下部Ｃｕ配線２０１ｃ上に絶縁膜２０２を形成する。ここでは、絶縁膜２０２としてＳｉＯＣＨ膜を成膜するプロセスを例にあげて説明する。ＳｉＯＣＨ膜としては、例えば、組成比がＳｉ：Ｏ：Ｃ＝１：０．９：２．７の膜が挙げられる。Ｃ含有量の多いＳｉＯＣＨ膜はリスパッタ耐性が高く、配線構造の変形やＬｏｗ−ｋ膜の比誘電率上昇などを抑制することが出来る。ＳｉＯＣＨ膜は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜することができる。プラズマＣＶＤ法とは、例えば、気体状の原料を減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、あるいは基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。
【００３３】
高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜の成膜に用いられる装置の概要を図５に示す。リザーバー３０１は絶縁膜２０２となるモノマー原料を充填する容器である。原料圧送部３０２はリザーバー３０１内の原料を送り出すため加圧する部位であり、圧送ガスには、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスが用いられる。キャリアガス供給部３０３はモノマー原料を輸送するＨｅなどの不活性ガスをキャリアガスとして供給する部分である。液体マスフロー３０４は供給する原料の流量を制御する装置である。ガスマスフロー３０５はキャリアガスの流量を制御する装置である。気化器３０６はモノマー原料を気化する装置である。リアクター３０７は気体となった原料をプラズマ重合より成膜を行う処理室である。ＲＦ電源３０９は気体となったモノマー原料とキャリアガスをプラズマ化する電力を供給する装置である。基板３０８は半導体基板である。排気ポンプ３１０はリアクター３０７に導入された原料ガスとキャリアガスなどを排気する装置である。
【００３４】
原料圧送部３０２からの圧送ガスによりリザーバー３０１からモノマー原料が送り出され、液体マスフロー３０４によりその流量を制御される。一方キャリアガス供給部３０３からはキャリアガスが供給され、その流量はガスマスフロー３０５によって制御される。原料及びキャリアガスは気化器３０６の直前で混合され、気化器３０６内に導入される。気化器３０６内には加熱されたヒータブロック（図示せず）が存在し、ここで液体のモノマー原料は気化され、リアクター３０７に導入される。リアクター３０７内では１３．５６ＭＨｚの高周波電力の印加により、気化したモノマー原料及びキャリアガスはプラズマ化し、プラズマ重合により基板３０８上に高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜が成膜される。原料モノマーは０．１ｇ／分以上１０ｇ／分以下であることが好ましく、さらに好ましくは２ｇ／分以下であることが好ましい。キャリアガスの流量は０．０５×１０３ｓｃｃｍ以上５×１０３ｓｃｃｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは２×１０３ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。リアクター３０７内の圧力は０．１３〜１．３ｋＰａであることが好ましい。ＲＦ電源の出力は２ｋＷ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１ｋＷ以下であることが好ましい。
【００３５】
高Ｃ濃度ＳｉＯＣＨ膜は、たとえば、環状有機シリカ構造を有する、下記一般式（１）で示される原料から成膜することができる。中でも、環状有機シリカ構造を有する原料が下記式（２）または式（３）に示す構造を有するものが特に好ましい。
【００３６】
【化１】
【００３７】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２は不飽和炭素化合物または飽和炭素化合物（アルキル基）であり、不飽和基はビニル基、プロペニル基、イソプロペニル基、メチルプロペニル基、ジメチルプロペニル基のいずれかであり、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかである。また、Ｒ１、Ｒ２は同じでも異なるものでも良い。
【００３８】
【化２】
【００３９】
【化３】
【００４０】
図２（ａ）に戻り、絶縁膜２０２上にハードマスク２０３としてＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。ハードマスクとは、層間絶縁膜の低誘電率化による強度低下により、直接ＣＭＰを行うのが困難な場合に、層間絶縁膜上に積層し、保護する役割の絶縁膜をさす。ついで、ハードマスク２０３を残した状態で絶縁膜２０２を貫通するビア孔（スルーホールビア）２０４を形成する。
【００４１】
ついで、図２（ｂ）で示すように、ビア孔２０４にレジスト（充填材）２０５を充填した後、ビア孔２０４の開口を覆う多層マスク（低温酸化膜２０６、反射防止膜２０７、レジスト２０８）を絶縁膜２０２上に形成する。該多層マスクを用いたリソグラフィ工程によりトレンチ溝パターン２０９を形成する（図２（ｂ））。
【００４２】
ついで、図２（ｃ）（ｄ）で示すように、該多層マスク及びレジスト２０５の一部を除去するとともに、ビア孔２０４の側壁の一部２０４ａを露出させる（第一のエッチング工程）。具体的には、多層マスクを上層から順に目的の配線溝の幅に除去し、さらにビア孔２０４の上部に至るまで過剰にレジスト２０５を除去することでビア孔２０４内にレジスト非充填部２１０を形成する（図２（ｃ））。そして、ＳｉＯ２膜（ハードマスク２０３）とＳｉＯＣＨ膜（絶縁膜２０２）との加工選択性が高いことを利用して、絶縁膜２０２を露出させて肩落ちの無い形状に加工し、ビア孔２０４の開口に水平面を形成する（図２（ｄ））。エッチャントには、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含む混合ガス（第一のエッチングガス）を用いることができ、ＣＨＦ系ガスに、Ａｒ、窒素（Ｎ２）、テトラフルオロカーボン（ＣＦ４）、ジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ２）及び酸素（Ｏ２）からなる群から選択されるガスを混合させるとよい。
【００４３】
ついで、図３（ｅ）（ｆ）（ｇ）で示すように、露出したビア孔の側壁２０４ａから絶縁膜２０２を除去して、配線溝６及びビア孔を形成する（第二のエッチング工程）。具体的には、配線溝６の加工の初期段階にてレジスト非充填部２１０をテーパー化させる（図３（ｅ））。レジスト２０５に保護されないレジスト非充填部２１０は、ビア孔２０４の側壁方向からもエッチングされるため、配線溝６の加工を進めることでテーパー化が進む。テーパー化がレジスト２０５まで到達したところで、レジスト２０５によりビア孔２０４の側壁方向からのエッチャントの供給が阻止され（ビア孔２０４の側壁方向からのエッチングがされなくなり）、テーパー化が止まる（図２（ｆ））。そこから、さらに配線溝６の加工を進めることで、レジスト非充填部２１０のみビア孔２０４の側壁方向にエッチングが進み、レジスト非充填部２１０の径が拡大する（図２（ｇ））。エッチャントとしては、酸素ガスを含む混合ガス（第二のエッチングガス）を用いることができる。具体的には、酸素ガスにＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３及びＣＨ２Ｆ２からなる群から選択されるガスを混合させるとよい。こうすることで、まず、上部ビア孔５が形成される。上部ビア孔５は、配線溝６と接続しかつ配線溝６の径ｄ３よりも径（開口径ｄ２ａ＞底面径ｄ２ｂ）が小さい。また、上部ビア孔５の底面４は、ビア孔２０４の底面に対してほぼ平行に形成されている。上部ビア孔５の底面は、ビア孔２０４の底面に対して０°〜１０°の傾きに形成させると好ましい。また、ビア孔の２０４の開口部の周縁を水平面に保ちつつエッチングを行い、さらに途中でテーパー化を止めることにより、上部ビア孔５の側壁の傾斜角を６０°以上にすることも可能である。
【００４４】
ついで、図３（ｈ）で示すように、上部ビア孔５の底面４からレジスト２０５を、たとえばアッシングにより除去し、さらに酸素原子（Ｏ）を含む酸化ガスとフッ化物ガスの混合ガスから発生させたプラズマによりビア孔底のキャップ膜２０１ｄを除去する。アッシングおよび酸化ガスにはＯ２ガスもしくは二酸化炭素ガス（ＣＯ２）などを用いることができ、特にＯ２プラズマを用いることが望ましい。
【００４５】
ついで、図４（ｉ）で示すように、第１のバリアメタル膜２１２をＰＶＤ（物理気相蒸着）法によって成膜する。Ａｒイオンスパッタにより、下部ビア孔３の底部の第１のバリアメタル膜２１２をリスパッタ処理し、下部Ｃｕ配線２０１ｃのＣｕを掘り込み、パンチスルー部２１３を形成する（図４（ｊ））。ついで、第２のバリアメタル膜２１４をＰＶＤ法により成膜する（図４（ｋ））。たとえば電界メッキ法により、配線溝６およびビア孔７をＣｕまたはＣｕ合金で埋め込んで上部Ｃｕ配線２１５を作製し、キャップ絶縁膜２１６で上部Ｃｕ配線２１５を覆う（図４（ｌ））。なお、ＰＶＤ法とは、通常のスパッタリング法でもよいが、埋め込み特性の向上や、膜質の向上や、膜厚のウェハ面内均一性を図る上では、例えばロングスロースパッタリング法やコリメートスパッタリング法、イオナイズドスパッタリング法、などの指向性の高いスパッタリング法を用いることもできる。合金をスパッタする場合には、あらかじめ金属ターゲット内に主成分以外の金属を固溶限以下で含有させることで、成膜された金属膜を合金膜とすることができる。その後、任意のプロセスを経て半導体装置を完成させる。
【００４６】
つづいて、本実施形態の作用効果について図１を用いつつ説明する。本実施形態によれば、径が異なる複数の孔（上部ビア孔５および下部ビア孔３）を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させ、接続部に下地に対してほぼ平行な面４を有するビア孔７を備える。これにより、ビア孔７内の水平面４でバリアメタルをリスパッタさせることができ、ビア孔７の側壁にバリアメタルを再付着させることができる。したがって、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させることができる。
【００４７】
また、このようなビア孔７を設けることで、ビア孔７の側壁の傾斜角を容易に大きくすることができる。したがって、リスパッタプロセスの併用が可能となり、Ｃｕ埋設が容易となる。また、ビア孔７の水平面４の幅Δｄを５ｎｍ以上とし、下地となるキャップ絶縁膜１ｄに対して０°〜１０°の傾きとすることで、適量リスパッタされたバリアメタルがビア孔７の側壁に再付着する。そのため、仮にビア孔７の側壁のテーパー角が３０°〜６０°である場合でも、ビア孔７の側壁には水平面４からバリアメタルが供給されるため、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの過剰リスパッタを抑制することができる。したがって、バリアメタル被覆性を向上させることができる。
【００４８】
非特許文献１には、酸素イオンによるエッチング速度とイオン入射角との相関例が示されている。この例を図１５に示す。この相関例は、テーパー角とリスパッタ速度の相関と同等に考えることができる。すなわち、ビアの側壁（図１５中ｃ）を９０°とし、配線溝の底面０°（図１５中ａ）としたとき、テーパー角３０〜６０°の範囲（図１５中ｂ）では配線溝の底面よりもリスパッタの速度が２倍以上となる。従ってテーパー角によってはリスパッタが過剰となり、テーパー部分でのバリアメタル膜の膜厚不足を引き起こす。さらに、それがＣｕシードの被覆性の劣化やそれにともなうマイクロボイドの増加などの原因となり、最終的にはビア配線の信頼性を劣化させることになる。
【００４９】
特許文献１に記載された製造方法を用いる場合、リスパッタプロセスとの併用を考慮するとテーパー角が６０°以上のテーパー形状が要求される。しかしエッチング速度は４５°付近で最大になるため、テーパー角は通常４５〜５０°で安定する。特許文献１に記載の実施例においてもテーパー角は５３°とあり、テーパー面におけるリスパッタ速度の上昇を考慮すると、十分なリスパッタを行なえない。
【００５０】
本実施形態の半導体装置では、ビア孔７の側壁におけるバリアメタルの被覆性を向上させて、Ｃｕ埋設性を向上させることができる。したがって、スルーホールビアの製造歩留まりと信頼性を向上させることができる。
【００５１】
以下に本発明の具体的な材料構成を含めた実施例について図面を用いて説明する。
【００５２】
（実施例）
図６〜９は、本発明の実施例における半導体装置の製造方法を示す断面図である。シリコン基板（図示せず）上に第１配線層６０１をシングルダマシン法によって形成した（図６（ａ））。すなわち、あらかじめ絶縁膜６０１ａに形成させた溝に、下部Ｃｕ配線６０１ｃを埋め込み、溝内以外の余剰な金属をＣＭＰ法により除去する。ついで、下部Ｃｕ配線６０１ｃの側面および外周をバリアメタル膜６０１ｂで覆い、下部Ｃｕ配線６０１ｃの上面をキャップ絶縁膜６０１ｄで覆う。なお、この上部にデュアルダマシン法またはシングルダマシン法によって形成される第２以降の配線層についても第１配線層６０１と同様な方法で形成することが可能である。第１配線層６０１を形成する配線層間絶縁膜６０１ａと第２配線層以降を形成する配線層間絶縁膜６０２は異なる膜であってもよい。たとえば、第１配線層６０１を形成する配線層間絶縁膜６０１ａは、比誘電率が３．１のＳｉＯＣＨ膜、第２配線層以降を形成する配線層間絶縁膜６０２は、比誘電率が２．５のＳｉＯＣＨ膜でもよい。
【００５３】
第１配線層６０１上に、配線層間絶縁膜６０２となる、厚さ２１０ｎｍで比誘電率が２．５のＳｉＯＣＨ膜を、上記式（２）に示す環状有機シリカ構造を有する原料から、上述したプラズマＣＶＤ法により成膜した。
【００５４】
その後、処理時間１５〜３０秒のＨｅプラズマ処理による表面改質層の形成を行い、同一チャンバーにて、ハードマスク６０３として厚さ８０ｎｍのＳｉＯ２膜を、ＳｉＨ４をソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法により成膜した。ハードマスク６０３のＳｉＯ２膜としてはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）をソースガスに用いたＳｉＯ２膜を用いてもよい。また、前記Ｈｅプラズマ処理と、ＳｉＯ２ハードマスク成膜は別チャンバーで行ってもよい。その後、既存のスルーホールエッチング工程によりスルーホールビア６０４を形成する（図６（ｂ））。
【００５５】
次に、厚さ２５０ｎｍのレジスト６０５を塗布しスルーホールビア６０４を充填する（図６（ｃ））。
【００５６】
次に、スルーホールビア６０４への充填部分がレジスト６０５の表面に凹凸を形成するため、酸素プラズマを用いたレジスト６０５の全面エッチバックを行う。（図６（ｄ））。このときレジスト６０５のエッチバック条件は、例えば、Ｏ２流量０．１×１０３〜０．３×１０３ｓｃｃｍ、圧力：１．３〜４Ｐａ（１０〜３０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．５〜１．５ｋＷ、時間：１０〜６０秒に設定することが好ましい。
【００５７】
その後、ハードマスク６０３上に再度、厚さ２５０ｎｍのレジスト６０６を塗布し、低温酸化膜６０７、反射防止膜６０８及びレジスト６０９からなる多層レジストマスクを形成する。該多層レジストマスクを用いた露光プロセスを経て、トレンチパターン６１０を形成する（図７（ｅ））。
【００５８】
次に、既存のレジスト加工プロセスによりトレンチパターン６１０部分のハードマスク６０３を露出させる（図７（ｆ））。ハードマスク６０３とレジスト６０６との加工選択性を利用し、レジスト６０６のみをスルーホールビア６０４の上部を部分的に除去し非充填部６１１を形成する（図７（ｇ））。非充填部６１１の深さ（ΔＤ）は２０〜４０ｎｍであることが望ましい。非充填部６１１を形成後、ハードマスク６０３のエッチングを行う際に、ＳｉＯ２膜（ハードマスク６０３）とＳｉＯＣＨ膜（配線層間絶縁膜６０２）との加工選択性がある等方性エッチングを用いることにより、配線層間絶縁膜６０２を肩落ちさせずに露出させる（図７（ｈ））。このときハードマスク６０３のエッチング条件は、例えば、Ａｒ：０．４×１０３〜１×１０３ｓｃｃｍ、ＣＦ４：０〜０．３５×１０３ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３：２０〜４０ｓｃｃｍ、圧力：４〜６．７Ｐａ（３０〜５０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．５〜１．５ｋＷ、時間：４０〜６０秒に設定することが好ましい。
【００５９】
次に、酸素流量含有エッチング条件にて配線層間絶縁膜６０２をドライエッチングし、共に充填材レジスト６０５も同程度のレートでドライエッチングする。ドライエッチングが進むにつれ非充填部６１１の配線層間絶縁膜６０２は肩落ちをし始める（図８（ｉ））。そのままトレンチエッチングを進めることで非充填部６１１の径が拡大していき（図８（ｊ））、２段形状となる（図８（ｋ））。このときトレンチエッチングの条件は、例えばＡｒ：０．２×１０３〜０．６×１０３ｓｃｃｍ、ＣＦ４：０．３×１０３〜０．５×１０３ｓｃｃｍ、Ｏ２：５〜１０ｓｃｃｍ、圧力：４〜６．７Ｐａ（３０〜５０ｍｔｏｒｒ）、ＲＦパワー：０．２〜１ｋＷ、時間：５〜２０秒に設定することが好ましい。
【００６０】
スルーホールビア６０４を２段形状化して配線溝及び上部ビア孔を形成した後、充填材レジスト６０５、レジスト６０６をＯ２を用いたアッシングにより除去し、引き続きＣＦ４、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを用いたドライエッチングによりビア底部キャップ絶縁膜６０１ｄを開口させて開口部（下部ビア孔）６１２を形成する（図８（ｌ））。
【００６１】
次に、薬液処理にて開口部６１２のＣｕ配線表面のＣｕ酸化物やエッチング生成物などを除去し、開口部６１２を清浄する。このとき、前記薬液はフッ素を含むことが望ましい。さらに、厚さ３〜５ｎｍの第１のバリアメタル膜６１３をイオン化スパッタ法によって成膜する（図９（ｍ））。Ａｒイオンスパッタにより、ビア底部の第１のバリアメタル膜６１３をリスパッタ処理し、第１配線層のＣｕを５〜２０ｎｍ掘り込み、パンチスルー部６１４を形成し（図９（ｎ））、厚さ５〜１０ｎｍの第２のバリアメタル膜６１５をスパッタ成膜する（図９（ｏ））。このとき、バリアメタル膜６１３、６１５の成膜にＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用しても良い。また、第１のバリアメタル膜６１３には窒化タンタルまたは窒素含有タンタル膜が好ましい。
【００６２】
その後、バリアメタル膜６１５上に電界めっき法によりＣｕまたはＣｕ合金を埋設して上部Ｃｕ配線６１６を形成し、その後、Ｃｕ粒成長のために窒素雰囲気中で３５０℃、２分間の熱処理をした後、余剰なＣｕおよびハードマスク６０３をＣＭＰにより除去する。ＣＭＰ処理により第２の配線層を形成した後、キャップ絶縁膜６１７をＣＶＤ法により成膜することで、ＳｉＯＣＨ膜を用いた２層配線を形成する（図９（ｐ））。このときＣｕまたはＣｕ合金はＣｕＡｌやその他のＣｕ合金であってもよい。
【００６３】
本実施例で示した方法のうち、図７（ｇ）で示す工程において、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を０〜２０ｎｍ、２０〜４０ｎｍ、４０ｎｍ以上としたビア配線を３種作製し以下のように評価した。
【００６４】
１．ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による観察
図１０はビア配線形状の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した結果を示す図である。レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を０〜１０ｎｍと小さくすると、図１０（ａ）のようにビア配線形状は肩落ちの無い垂直形状となる（これを以下垂直ビアという。）。それに対して、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を２０〜４０ｎｍとした場合、図１０（ｂ）のように非充填部深さに対応して２段形状となることが分かる（これを以下２段ビアという。）。さらに、レジスト非充填部６１１の深さ（ΔＤ）を４０〜１００ｎｍで加工した場合、図１０（ｃ）のように、テーパー角４５°のテーパー形状となった（これを以下テーパビアという。）。このように、スルーホールビア６０４のレジスト充填量によってビア配線の形状を制御が可能となることがわかった。２段ビアは、図１に対応する構造を有し、上部ビア孔５および下部ビア孔３が連結しているビア孔７が配線溝６の底面に形成されている。上部ビア孔５および下部ビア孔３の接続部にはほぼ水平な面４が形成されている。上部ビア孔５および下部ビア孔３の接続部の底面４は下地のキャップ絶縁膜に対して対し５°の傾きを有していた。また、Δｄは５０ｎｍであり、Ｄ／Δｄは０．６６であった。
【００６５】
２．ビア抵抗の評価
図１１は、上述した３種類のビア配線形状におけるそれぞれのビア抵抗の確率累積分布を示す。テーパビアは低抵抗側に大きくバラツキがあったのに対し、垂直ビア及び２段ビアではバラツキを小さくできた。テーパビアはビア底がエッチャント供給方向に露出しているため、図８（ｌ）で示したキャップ絶縁膜６０１ｄの開口処理の際に、ビア径が拡大しやすい。そのため、テーパビアは低抵抗側に大きくばらついたと考えられた。一方、垂直ビア及び２段ビアではキャップ絶縁膜６０１ｄの開口時に寸法変動が起こりにくいためバラツキを小さくできたと考えられた。
【００６６】
３．大規模ビアチェーンの不良数の評価
図１２は、上述した３種のビア配線形状における大規模ビアチェーンの不良数について比較した結果を示している。垂直ビアやテーパビアに比べ、２段ビアでは不良数が大きく低減し、垂直ビアの１／２となった。
【００６７】
４．応力起因ボイド（Ｓｔｒｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｏｉｄｉｎｇ、ＳＩＶ）に対する信頼性評価
図１３は、上述した３種のビア配線形状におけるＳｉＶ信頼性試験の結果を示している。ＳｉＶ信頼性の不良判定としては、ＳｉＶ評価チェーンの単位ビア当りの抵抗値が１０％上昇した場合をＳｉＶ不良と定義した。貫通孔で接続された下層配線と上層配線をそれぞれＭ１、Ｍ２としたとき、Ｍ２/Ｍ１＝０．１４／３．０μｍのパターンにおいて高温保管１０００時間まで行なった結果、テーパビアの不良率が２０％近くまで上昇するのに対し、垂直ビアでは不良率０％であり、２段ビアでも１％程度（測定ＴＥＧ中１個）と高信頼性を示した。
【００６８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、本実施形態では、下地がキャップ絶縁膜である例について説明したが、下地が基板であってもよい。本発明の他の態様について以下に説明する。
【００６９】
本発明の他の態様としては、Ｃｕ配線上に形成されたシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜とＳｉとＣと酸素（Ｏ）を主成分とする配線層間絶縁膜からなる積層構造であり、かつ該配線層間絶縁膜中にスルーホールビアを介して、下層の該Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線が形成され、該スルーホールビアが少なくとも２つの異なる直径を持つ多段構造であって、該多段構造スルーホールビアの異なる直径の接続部が０°〜１０°の水平面を有していることを特徴とする半導体装置がある。
他の態様の半導体装置は、前記多段構造スルーホールビアの異なる直径の差が少なくとも５ｎｍ以上あることを特徴とする。
さらには、前記段構造スルーホールビアのビア底が下地Ｃｕ配線中まで埋め込まれていることを特徴とする。
さらには、前記配線絶縁膜が膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きい炭素リッチＳｉＯＣＨ膜であることを特徴とする。
さらには、前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜が平均空孔径０．８ｎｍ未満で、かつそれぞれの空孔が独立空孔であることを特徴とする膜であることを特徴とする。
さらには、前記キャップ絶縁膜が、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮのいずれか、またはこれらの積層膜であることを特徴とする。あるいは、前記キャップ絶縁膜は、不飽和炭化水素とアモルファスカーボンを有する複合膜、もしくは前記ＳｉＣＮあるいはＳｉＣと膜と該複合膜との積層膜であることを特徴とする。
さらには、前記炭素リッチＳｉＯＣＨ膜は、上記一般式（１）に示す環状有機シリカ構造を有することを特徴とする。
さらには、前記環状有機シリカ構造が上記一般式（２）、式（３）に示す構造を有することを特徴とする。
【００７０】
また、本発明の他の態様の半導体装置の製造方法としては、Ｃｕ配線上に形成されたＳｉとＣとを主成分とするキャップ絶縁膜と、ＳｉとＣを酸素（Ｏ）を主成分とする配線層間絶縁膜からなる積層構造であり、かつ該配線層間絶縁膜中にスルーホールビアを介して下層の該Ｃｕ配線に接続されたＣｕデュアルダマシン配線を形成する半導体装置の製造方法であって、かかる積層構造に該デュアルダマシン配線を形成する工程において、公知のドライエッチング工程により形成したスルーホールビアに充填物を埋設する工程と、該スルーホールビア上に公知の多層マスクおよびリソグラフィ工程によりトレンチ溝パターンを形成する工程と、該多層マスクを炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含有する混合ガスを用いたドライエッチングにて除去し、さらに過剰にエッチングを進めることによりスルーホールビア内充填物を一部除去することにより、スルーホールビア内に非充填部を形成する工程と、Ｏ２を含有する混合ガスを用いたドライエッチングにて該充填物と該配線絶縁膜をドライエッチングすることによってトレンチ溝を形成すると同時に、該スルーホールビア開口部を多段形状に加工する工程と、Ｏ２又は酸素（Ｏ）を含む酸化ガスを用いて該充填物を除去する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法がある。
さらには、前記ＣＨＦ系ガスを含有する混合ガスが、Ａｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２のいずれか、またはこれらのうち複数のガスを含むことを特徴とする。
さらには、前記Ｏ２を含有する混合ガスがＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３のいずれか、またはこれらのうち複数のガスを含むことを特徴とする。
さらには、前記配線絶縁膜が組成比Ｃ／Ｓｉが１以上のＳｉＯＣＨ膜であることを特徴とする。
【００７１】
上記の態様によれば、Ｃｕ配線上に形成された配線層間絶縁膜のビアファースト・デュアルダマシン加工方法において、トレンチ溝加工と同時にスルーホールビアを少なくとも２つの異なる直径を持つ多段構造に加工することにより、スルーホールビアのアスペクト比を低減し、Ｃｕ埋設性の向上を実現する。その結果、スルーホールビアの製造歩留まりと信頼性を向上させる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 下層Ｃｕ配線構造
１ａ 絶縁膜
１ｂ バリアメタル膜
１ｃ 下部Ｃｕ配線
１ｄ キャップ絶縁膜
２ 上層Ｃｕ配線構造
２ａ 絶縁膜
２ｂ バリアメタル膜
２ｃ 上部Ｃｕ配線
２ｄ キャップ絶縁膜
３ 下部ビア孔
４ 接続部の底面
５ 上部ビア孔
６ 配線溝
７ ビア孔
１４０ 下部配線
１４１ 配線溝
１４２ ビア
２０１ 下層Ｃｕ配線構造
２０１ａ 絶縁膜
２０１ｂ バリアメタル膜
２０１ｃ 下部Ｃｕ配線
２０１ｄ キャップ絶縁膜
２０２ 絶縁膜
２０３ ハードマスク
２０４ ビア孔
２０４ａ ビア孔の側壁の一部
２０５ レジスト
２０６ 低温酸化膜
２０７ 反射防止膜
２０８ レジスト
２０９ トレンチ溝パターン
２１０ 非充填部
２１２ 第１のバリアメタル膜
２１３ パンチスルー部
２１４ 第２のバリアメタル膜
２１５ 上部Ｃｕ配線
２１６ キャップ絶縁膜
３０１ リザーバー
３０２ 原料圧送部
３０３ キャリアガス供給部
３０４ 液体マスフロー
３０５ ガスマスフロー
３０６ 気化器
３０７ リアクター
３０８ 基板
３０９ ＲＦ電源
３１０ 排気ポンプ
４０１ ビア用エッチングストッパ膜
４０２ ビア間絶縁膜
４０３ 配線用エッチングストッパ膜
４０４ 配線間絶縁膜
６０１ 第１配線層
６０１ａ 絶縁膜
６０１ｂ バリアメタル膜
６０１ｃ 下部Ｃｕ配線
６０１ｄ キャップ絶縁膜
６０２ 配線層間絶縁膜
６０３ ハードマスク
６０４ スルーホールビア
６０５ レジスト
６０６ レジスト
６０７ 低温酸化膜
６０８ 反射防止膜
６０９ レジスト
６１０ トレンチパターン
６１１ 非充填部
６１２ 開口部
６１３ 第１のバリアメタル膜
６１４ パンチスルー部
６１５ 第２のバリアメタル膜
６１６ 上部Ｃｕ配線
６１７ キャップ絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底面に形成された接続孔と、
少なくとも前記接続孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、
を有し、
前記接続孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、
前記複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続し、
前記複数の孔の接続部に前記下地に対してほぼ平行な面を有する、半導体装置。
【請求項２】
前記複数の孔の接続部に、前記下地に対して０°〜１０°の傾きからなる面を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接続孔の側壁がテーパー状に形成されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記上部孔の底面の径と前記下部孔の開口径との差をΔｄとしたとき、Δｄ≧５ｎｍである、請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記下地がシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜である、請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記キャップ絶縁膜で上面が覆われた金属配線をさらに有し、
前記接続孔の底面が前記金属配線に入り込んでいる、請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜がＳｉとＣと酸素（Ｏ）とを主成分とする、請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きいＳｉＯＣＨ膜である、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記絶縁膜が互いに独立した複数の空孔を有し、前記空孔の平均空孔径０．８ｎｍ以下である、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁膜が、三量体の環状シロキサン構造を有し、前記環状シロキサン構造を構成しているシリコンに不飽和または飽和炭素鎖が結合している、請求項８または９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記接続孔の側壁の傾斜角が６０°〜９０°である、請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を貫通する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔に充填材を充填する工程と、
前記接続孔の開口を覆うマスクを前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記マスク及び前記充填材の一部を除去するとともに前記接続孔の側壁の一部を露出させる第一のエッチング工程と、
露出した前記接続孔の側壁から前記絶縁膜を除去して、配線溝及び接続孔を形成する第二のエッチング工程と、
少なくとも前記接続孔の側壁をバリアメタル膜で覆う工程と、
を含み、
前記第二のエッチング工程において、
前記配線溝の底面から径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させて前記接続孔を形成し、前記複数の孔の接続部に前記接続孔の底面に対してほぼ平行な面を形成させる、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第二のエッチング工程において、前記接続部に前記接続孔の底面に対して０°〜１０°の傾きを有する面を形成する、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第二のエッチング工程は、前記充填材を除去する工程をさらに含み、
前記第一のエッチング工程において、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含む第一のエッチングガスを用いて前記マスク及び前記充填材を除去し、
前記第二のエッチング工程において、
酸素ガスを含む第二のエッチングガスを用いて前記絶縁膜を除去し、
酸素原子（Ｏ）を含む酸化ガスを用いて前記充填材を除去する、請求項１２または１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第一のエッチングガスが、Ａｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２及びＯ２からなる群から選択されるガスを含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第二のエッチングガスがＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３及びＣＨ２Ｆ２からなる群から選択されるガスを含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
下部配線を形成する前記工程と前記絶縁膜を形成する前記工程との間に、前記下部配線を覆う、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜を形成する工程をさらに含む、請求項１２乃至１６いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記絶縁膜を形成する前記工程において、環状有機シリカ構造を有する、下記一般式（１）で示される原料から前記絶縁膜を形成する、請求項１２乃至１７いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【化１】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２は不飽和炭素化合物または飽和炭素化合物（アルキル基）であり、不飽和基はビニル基、プロペニル基、イソプロペニル基、メチルプロペニル基、ジメチルプロペニル基のいずれかであり、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかである。また、Ｒ１、Ｒ２は同じでも異なるものでも良い。
【請求項１９】
前記環状有機シリカ構造を有する原料が下記式（２）または式（３）に示す構造を有する、請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【化２】
【化３】
【請求項１】
下地上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝の底面に形成された接続孔と、
少なくとも前記接続孔の側壁を覆うバリアメタル膜と、
を有し、
前記接続孔は、径が異なる複数の孔から構成されており、
前記複数の孔は、下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続し、
前記複数の孔の接続部に前記下地に対してほぼ平行な面を有する、半導体装置。
【請求項２】
前記複数の孔の接続部に、前記下地に対して０°〜１０°の傾きからなる面を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接続孔の側壁がテーパー状に形成されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記上部孔の底面の径と前記下部孔の開口径との差をΔｄとしたとき、Δｄ≧５ｎｍである、請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記下地がシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜である、請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記キャップ絶縁膜で上面が覆われた金属配線をさらに有し、
前記接続孔の底面が前記金属配線に入り込んでいる、請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜がＳｉとＣと酸素（Ｏ）とを主成分とする、請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁膜中の炭素／シリコン比（Ｃ／Ｓｉ）が１より大きいＳｉＯＣＨ膜である、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記絶縁膜が互いに独立した複数の空孔を有し、前記空孔の平均空孔径０．８ｎｍ以下である、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁膜が、三量体の環状シロキサン構造を有し、前記環状シロキサン構造を構成しているシリコンに不飽和または飽和炭素鎖が結合している、請求項８または９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記接続孔の側壁の傾斜角が６０°〜９０°である、請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を貫通する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔に充填材を充填する工程と、
前記接続孔の開口を覆うマスクを前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記マスク及び前記充填材の一部を除去するとともに前記接続孔の側壁の一部を露出させる第一のエッチング工程と、
露出した前記接続孔の側壁から前記絶縁膜を除去して、配線溝及び接続孔を形成する第二のエッチング工程と、
少なくとも前記接続孔の側壁をバリアメタル膜で覆う工程と、
を含み、
前記第二のエッチング工程において、
前記配線溝の底面から径が異なる複数の孔を下に向けて径が小さくなるように深さ方向に接続させて前記接続孔を形成し、前記複数の孔の接続部に前記接続孔の底面に対してほぼ平行な面を形成させる、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第二のエッチング工程において、前記接続部に前記接続孔の底面に対して０°〜１０°の傾きを有する面を形成する、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第二のエッチング工程は、前記充填材を除去する工程をさらに含み、
前記第一のエッチング工程において、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）の３元素からなるＣＨＦ系ガスを含む第一のエッチングガスを用いて前記マスク及び前記充填材を除去し、
前記第二のエッチング工程において、
酸素ガスを含む第二のエッチングガスを用いて前記絶縁膜を除去し、
酸素原子（Ｏ）を含む酸化ガスを用いて前記充填材を除去する、請求項１２または１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第一のエッチングガスが、Ａｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２及びＯ２からなる群から選択されるガスを含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第二のエッチングガスがＡｒ、Ｎ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３及びＣＨ２Ｆ２からなる群から選択されるガスを含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
下部配線を形成する前記工程と前記絶縁膜を形成する前記工程との間に、前記下部配線を覆う、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを主成分とするキャップ絶縁膜を形成する工程をさらに含む、請求項１２乃至１６いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記絶縁膜を形成する前記工程において、環状有機シリカ構造を有する、下記一般式（１）で示される原料から前記絶縁膜を形成する、請求項１２乃至１７いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【化１】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２は不飽和炭素化合物または飽和炭素化合物（アルキル基）であり、不飽和基はビニル基、プロペニル基、イソプロペニル基、メチルプロペニル基、ジメチルプロペニル基のいずれかであり、アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のいずれかである。また、Ｒ１、Ｒ２は同じでも異なるものでも良い。
【請求項１９】
前記環状有機シリカ構造を有する原料が下記式（２）または式（３）に示す構造を有する、請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【化２】
【化３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２７８３３０（Ｐ２０１０−２７８３３０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３０９０６（Ｐ２００９−１３０９０６）
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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